钠离子电池Sb基负极材料的研究进展

张英杰，张举峰，段建国，任婷，董鹏，王丁

昆明理工大学冶金与能源工程学院锂离子电池及材料制备技术国家地方联合工程实验室云南省先进电池材料重点实验室

摘 要：作为钠离子电池负极材料的一种,Sb基负极材料拥有比碳材料更高的理论比容量和低成本的优势,极具商业化应用前景,受到研究者们的密切关注。尽管Sb金属单质具有安全性能好、合成方便等诸多优点,但该电极材料在反复充放电过程中存在以下问题:(1)较大的体积膨胀,极易引起钠离子的不可逆脱嵌,从而导致充放电效率较低;(2)晶体结构易坍塌,材料粉化严重,从而造成电极材料长周期循环稳定性差,容量大幅衰减。研究者们通过调控Sb金属单质的粒径、形貌和结构等手段,显著改善了其电化学性能。即便如此,仍然无法有效解决Sb金属单质在循环过程中因体积膨胀造成的充放电效率低和容量迅速衰减的问题。为了解决这一问题,人们设计开发了Sb/C复合材料以及Sb基化合物材料。Sb/C复合材料利用碳材料良好的柔韧性、优异的导电性以及形貌和结构皆可调控等优势,在一定程度上改善了改性后电极材料的循环性能。Sb合金材料是由活性金属Sb和其他活性金属或非活性金属合金化而成,体积效应得到抑制,放电容量提高。Sb氧化物和Sb硫化物等Sb的非金属化合物材料反应机理为合金化反应和转化反应机理共存,均可贡献容量,因而此类材料具有较高的比容量。为同时达到改善材料结构性能和抑制体积膨胀的目的,可通过构筑结构较为复杂但电化学性能优异的Sb的其他复合物材料。本文对比分析了不同Sb基材料的储钠机理、性能特点、存在的问题以及电化学性能的优化方法。同时指出单一的改性方法并不能显著提升材料的性能,而结构优化、合金成分控制以及优选还原剂、粘结剂和电解质添加剂等多元改性工艺的综合设计,可以更有效地改善Sb基负极材料的电化学性能,最后提出现阶段Sb基材料作为钠离子电池负极材料所面临的挑战及未来商业化应用前景。

关键词：钠离子电池;负极材料;Sb基;改性方法;